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期刊专利论文

导电聚氨酯泡沫材料研究进展

来源:互联网2023年08月01日

阅读次数:

郭文娇 于雯霞 党春蕾 何艺琳 赵亚欣 田华峰 李莹

1. 国网山西省电力公司大同供电公司,山西大同 037000
2. 北京工商大学化学与材料工程学院,北京100048
3. 北京化工大学碳纤 维及功能高分子教育部重点实验室,北京100029

来源:中国塑料 2023年 第37卷 第3期

摘要

从使用不同导电填料(炭黑、碳纳米管、石墨、金属、有机填料等)制备导电聚氨酯泡沫(PUF)材料的角度进行分析,总结了添加不同导电填料的复合泡沫制备方法以及对泡沫材料性能的影响,并论述了导电 PUF 材料在压阻材料、吸波材料、电磁屏蔽材料以及电极材料等领域的应用。分析表明,通过添加导电填料,可以改善PUF的静电现象, 提高防静电、导电等性能并拓宽PUF材料的应用领域。

关键词
聚氨酯;泡沫;导电;填料;抗静电性能
引言

导电高分子复合材料通常是在普通绝缘聚合物基体中添加导电填料而获得,具有优异的导电性能、 化学稳定性等。其中,复合型导电高分子泡沫材料, 因其质轻、比强度高、抗冲性能好,多作为静电保护和 电磁屏蔽材料,应用于电子器件、航空航天、汽车等 领域

1 实验

导电填料

    绝缘性的聚氨酯与导电填料混合后,借助导电填 料间的相互接触或接近作用传导电流,进而提高材料的导电性。二者的相容性影响填料的均匀分散程度及最终材料的电导率。常见的导电填料主要包括炭黑、 碳纳米管、石墨、金属、有机填料等,其形状有颗粒型、 纤维和片状。

1. 1 炭黑 

    炭黑是由烃类化合物经热分解而成的,炭黑内所含的氧是由炭黑粒子和空气相接触而自动氧化结合的,特定数量范围内的含氧基团,有利于炭黑在聚合物基体中的分散,对聚合物导电性产生有利影响。通过加入炭黑等导电填料后,复合材料的电阻降低,使由摩擦产生的静电荷尽快地传导、释放出去,从而达到抗静电的要求以聚氨酯软泡为基体,丙酮作溶剂,热塑性聚氨酯( TPU粉末作黏结剂,用浸渍法制备出导电性能良好的 PUF/炭黑复合材料,根据对不同TPU与炭黑的质量比所进行的对比 结果发现,当质量比 m(炭黑)∶mTPU=0. 36 时,材料体积电阻率、压陷硬度以及密度都较小,并在导电性 能与物理性能上有较突出的表现。
    以PUF
为材料,分别加入抗静电剂十六烷基三甲基溴化铵和 导电炭黑两种抗静电剂。研究发现,在 PUF 制备过程中加入十六烷基三甲基溴化铵和炭黑,PUF 的发泡倍 数和发泡速度均提高,并且降低了材料的体积电阻率与表面电阻率,使材料具有明显的抗静电效果,发现以聚醚多元醇 10 g 为基准,当十六烷基三甲基溴化铵用 量为0. 5 g,炭黑的用量为3 g时,PUF的抗静电效果最理想。以 PUF 为基体,浸渍炭黑浆料在PUF 表面制备导电碳层,利用数码显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察PUF表面导电碳层的形貌,研究了炭黑浸渍次数对 PUF 导电性的影响。结果表明,用炭 黑浆料直接浸渍 PUF 2 次可制得导电碳层,明显提高PUF的导电性,并简化了PUF导电层的制备过程。但是由于导电炭黑尺寸小,表面能大,且粒子间易于团聚,分散效果不好,很难形成连续而稳定的导电通路,因此导致炭黑复合材料的导电效果不好,而且用量过多还会影响材料的力学性能。对炭黑分散工艺进行了改良,采用推进式和翻齿式搅拌浆对微小的炭黑粒子进分散,对炭黑采取表面处理的方式,从而 在一定程度上解决了炭黑粒子在聚合物基体中分散的问题。他还通过硝酸氧化的方式得到氧化炭黑,再经过酯化反应,对含有竣基的氧化炭黑表面上接枝聚醚多元醇分子。研究表明,炭黑的氧化特别是接枝可以起到改善其在聚醚多元醇中的分散效果。 

1. 2 碳纳米管

    碳纳米管(CNTs)可以按照石墨烯片的层数分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT。由于 CNTs本身具有良好的力学性能,具有高模量、低 密度、抗形变和抗拉伸能力强的特点,优异的传热性能和导电性也使得其可以作为导电填料
    因此近年来
常常在聚合物基体中添加 CNTs用于优化聚合物的力学性能、导热性和导电性能则对 CNTs 形成的导电网络和 CNTs 的 尺寸对复合材料的导电性进行了研究。CNTs 之间的导电网络概率增大时,导电性增加;相同直径(50 nm), 相同体积分数下,CNTs的长度越长,电导率增加;相同体积分数下,CNTs直径越大,电导率减小。
    研究表明
CNTs 的导电效果往往受到隧穿效应和导电网络的影响,碳纳米管的尺寸也是导电性的影响因素,即在聚合 物中添加小管径和长度更长的 CNTs可以在提升复合 材料导电性的同时也增强力学性能。CNTs 的空间分 布也对电导率有着一定的影响,当 CNTs 非均匀分布 时,复合材料的电导率也会受到影响,容易使导电性不 均匀也进一步得出在CNTs不均匀分布 时,并且体积分数较低的情况下复合材料电导率随着团聚度增加而增大,在达到最大值后下降。研究发现,在CNTs很少时,并不会在PUF中形成 通路,在 CNTs 含量 0. 3 %~1. 5 %之间时,电导率随CNTs 的增加而增加,CNTs 含量为 1. 5 %时,常温电 导率可达2. 95×10-2 S/m,具有良好的电导性;但是当CNTs含量为 2 %时,PUF 产生缺陷导致电导率下降,CNTs 的添加也可以起到改善泡孔结构,在添加量0. 6 %时也能有效地增强复合材料的压缩性能。同时 也对研究添加CNTs后的PUF电磁干扰屏蔽效能的改 变做出研究,使用 MWCNT 进行研究,得出当 MWCNT 质量分数为 5 %时,在测试频率内对外界电 磁干扰屏蔽效果 95 %以上,平均值达到 24. 7 dB,这将 拓宽其在电磁屏蔽方面的应用。虽然发泡会影响聚合物的电导率和电磁屏蔽效果,但能用于减轻重量。因此,通过提高发泡材料的电磁屏蔽效果和电导率弥补发泡带来的缺点,并且扩大其应用领域,适用于要求轻量化的产业。添加 CNTs对于提升聚合物的导电功能有很大的潜力,然而对于聚氨酯这一基体和发泡这一成型方式的聚合物的导电性研究还不深入,应用还不够广泛。因此,在今后的研究中可以着手于在不同温度、不同类型、尺寸的 CNTs 的添加、CNTs 团聚等不同影响因素下对PUF电性能的改变,为研发高导电性PUF提供实 验依据。

1. 3 石墨 

    常用于制备导电复合材料的石墨包括石墨烯、氧化石墨烯、纳米石墨片、膨胀石墨等。石墨烯是一种由形成六方晶格的碳原子组成的二维材料,具有优异的电学、热学、力学和光学性能,成为近年来备受关注的材料。在聚合物材料领域,石墨烯 是制备聚合物纳米复合材料的有趣材料,具有良好的电学性能、形状记忆和增强的力学性能。

    以 N-甲基吡咯烷酮为溶剂,通过液体剥离从石墨上获 得石墨烯薄片,并以不同速率离心获得尺寸选择的石墨烯部分,再通过超声辅助浸渍法让石墨烯均匀地渗透到 PUF 中,从而得到 PUF/石墨烯纳米复合材料。实验中,将纳米复合材料压缩至 70 %的变形值,并测量每种变形值的电阻变化。在非常低的变形(5 %~ 6 %)下,电阻显著降低,这一阶段对应于泡沫单元支柱的弹性弯曲;在中间变形中,纳米复合材料表现出类似平台的行为,这一阶段假设单元支柱塌陷,变形值随着应力的低变化而增加;在高变形(超过 40 %)时,电阻再次降低,这一阶段单元支柱塌陷,应力随着低变形而快速增加。由此可以看出泡沫单元支柱的弹性弯曲和塌陷后的变形改善了石墨烯薄片之间的接触,减低了电阻。因此,由于PUF/石墨烯纳米复合材料的电阻对 压缩机械变形敏感,这种性质能赋予该材料在传感应 用中的潜在适用性,可以作为压阻或压敏材料使用。

    采用热致相分离(TISP)技术制备轻质导电多孔 TPU/石墨烯泡沫材料,由于石墨烯的柔韧性,观察到具有小孔的细胞壁和树枝状结构,使泡沫具有特殊的正压阻特性,并赋予了泡沫在循环压缩过程中带有偏转点的特殊响应模式。此外,由于 TPU的高孔隙率和良好弹性,导电泡沫在高达 90 %的应变下表现出良好的压缩性和稳定的压阻传感信号。研究表明,所制备的导电泡沫材料具有巨大的潜力,可以用作轻质、柔 性、高灵敏度和稳定的压阻传感器。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的衍生物,具有丰富的 表面极性官能团。研究了红磷(RP)和氧化石 墨烯之间的接枝共聚机理,发现 RP进入 GO内层并自发剥离,增强了 GO 层的距离,与此同时,GO 和 RP 之 间存在着一定的化学键(PO和 PC)。这些化学键增强了 RP 和 GO 的相互作用,使得 RP 很好地修饰了GO的表面。通过简单的溶液浸涂法将还原 氧化石墨烯片(rGO)涂覆到PU海绵的骨架上,然后在 肼蒸汽中水热还原,得到超轻量和可压缩的 PU/石墨 烯(PUG)复合泡沫。具有良好的综合电磁屏蔽性能, 以吸收为主的机制,可能是由于内部三维导电石墨烯网络的导电耗散和多次反射实现电磁波能量的衰减和电磁干扰(EMI)屏蔽期间的散射。除此之外,由于石 墨烯片仅包裹在 PU 框架的表面,因此 PUG 泡沫很好地保留了原始 PU 海绵的可压缩性。这种可压缩的特点结合三维导电石墨烯网络可以赋予 PUG 泡沫具有可调节的 EMI屏蔽行为,因此通过简单的浸涂法制备PUG 泡沫可促进用于 EMI 屏蔽的轻质泡沫材料的大规模生产。先通过冷冻干燥法制备 TPU 泡沫基质,然后在真空条件下将TPU泡沫浸入GO溶液中, 最后 TPU/GO 泡沫在有机酸溶液中进行化学还原得 到 TPU/rGO 泡沫。实验结果显示 TPU/rGO 泡沫显示出极好的机械柔性和弹性,即使在被压缩到小于其初始体积的 10 %之后,也可以完全恢复其初始状态, 在此期间没有观察到明显的塑性变形,表明TPU/rGO泡沫具有优异的机械稳定性。同时,通过浸涂时间可以控制TPU/rGO泡沫的导电性,且TPU/rGO泡沫具有出色的压敏特性,能提供很宽的压力检测范围(20 kPa~ 1. 94 MPa),可用作人体运动检测的压力传感器。石墨纳米片是由层叠的石墨烯层组成,在弱范德华力下相互黏结,具有易制备和成本低的优点。

    以聚酯多元醇和二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)为基 本组分,纳米石墨片(GN)为导电填料,通过充模固化反应制备了PU/GN泡沫。结果显示,纳米石墨片有利 于导电网络的形成,PU/GN 泡沫材料的电阻随着 GN含量的增加而降低,因此较大含量的GN有利于泡沫材料导电性的提升。但是,PU/GN泡沫材料的拉伸强度和断裂伸长率也随着 GN 含量的增加而逐渐降低。

    PU/GN 泡沫材料所表现出的良好的导电性促进了其 在包装材料等领域的应用。除了石墨烯和石墨纳米片,膨胀石墨经常被用作导电填料,这是由于其适中的成本和高膨胀比的结构特征。膨胀石墨是一种蠕虫状纳米管材,作为填料时, 能够在基体材料中形成良好的导电通路,从而提高材料的导电性能。通过充模固化反应制备了PU/膨胀石墨粉(EGp)复合泡沫塑料,实验显示当EGp含量达到5 %(质量分数,下同)时,复合材料的电 阻随着 EGp含量的增加而急剧下降,这是由于 EGp有 利于复合材料中导电网络的形成。同时,随着温度从30 ℃升高到 100 ℃PU/EGp 复合泡沫的电阻降低,主要原因是随着温度升高,PU软段的滑移使相邻EGp接 触形成完整导电网络的几率增加;此外,PU 中的分子 增强了热振动并增强了导电性。此类PU/EGp复合泡 沫材料成本适中,导电性能好,可广泛应用于不同电子 元器件的包装材料。

1. 4 金属 

    金属泡沫因其金属和多孔结构的组合特性而受到 越来越多的关注,在聚合物上涂覆金属已成为制造混 合金属泡沫的最常用方法,以继承金属的优点和聚合 物的机械柔性。

    以平均孔径为 0. 4 mm 的 PUF为基材,通过化学镀铜使基底金属化,从而制得开孔泡 沫。在化学镀过程中,研究了镀液化学成分、溶液 pH值和温度等主要参数对沉积速度和镀层厚度的影响。结果表明,当沉积槽中硫酸铜浓度为 12 g/LpH 值为13,电镀温度范围为 55~60 ℃时,获得了最佳工艺条件。液态金属(LM)是一种低熔点合金,因其良好的流 动性、黏附性和低毒性,已被广泛用于可拉伸的电子设 备。采用原位发泡法,二氯甲烷(DCM)作为 物理发泡剂,将 LM 涂覆在泡沫基质的孔表面上,制备得到PU/LM混合金属泡沫。研究中观察到,弹性聚氨酯中流体填料的易变形性在压力下会产生额外的电阻变化,显示出传统导电泡沫中未观察到的独特感觉行为,例如高响应灵敏度(计量系数>25)、短响应时间 (202 ms)和出色的电稳定性。混合金属泡沫孔隙的尺寸分布不均匀导致其显示出异常的位置依赖性灵敏度,从而可以实现密码垫和电气保护泡沫等高级应用。

1. 5 有机导电填料 

    聚苯胺(PANI)作为一种成本低、产率高以及产品 在环境条件下具有良好稳定性的导电聚合物受到广泛 关注。通过原位聚合,在多孔 PUF的内表面上沉积 PANI,制备得到 PANI 包覆的导电PUF。研究中发现,PANI涂覆的 PU 泡沫包含大量的孔,当施加压力来压缩泡沫时,减少了泡沫的总体积, 因此增加了 PANI覆盖的接触面积。这反过来提高了聚合物链中极化子的表观密度,也缩短了导电路径长 度,导致电阻下降。因此,当受到外力时,PANI涂覆的 泡沫可以像压力传感器一样起作用。以高 弹性多孔 PUF 为基材,采用原位聚合法制备导电PANI/PUF。实验结果表明,PUF 表面及内部空洞被PANI 所覆盖,形成连续的导电通路,使泡沫材料具有 良好的导电性能,电阻率降至1. 214×103 Ω·cm。此外, 由导电 PANI/PUF 制备的压敏传感器具有良好的传感性能,在30 %50 %的压缩率下表现出良好的传感 线性度、敏感度与重复性,但在 80 %压缩率下的传感性能有所下降,该压敏传感器具备人体运动行为监测的功能。将 PUF 置于含磷酸和苯胺的混合液中浸渍,加入过硫酸铵进行原位聚合,充分反应得到含磷酸掺杂聚苯胺涂覆后的PUF。研究表明酸掺杂 的聚苯胺分子上的部分醌二亚胺环结构会获得电子, 部分二胺单元失去电子,实现质子化,质子在分子链上周期性分布,并在聚苯胺分子链内部进行电荷转移,从而实现导电性能(聚苯胺导电聚合物的掺杂机制如图2所示)。
 

    除了聚苯胺可以用作 PUF 的导电填料,采用乳液合成法合成导电聚合物——聚吡咯,将聚吡咯作为导电填料加入聚氨酯发泡体系的黑料组分共混发泡,得到电导率为 106~108 Ω·cm 的 PUF。研究表明导电聚合物合成过程简单,空气中的稳定性比较好。重要的是,其基体骨架主要为碳氢氮结构,与大多数聚合物的组成化学结构相当,除了拥有适宜的导电性外, 其密度也与大多数聚合物(如聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯 醇)相当,比较适宜形成相容的共混物。针对上述5种导电填料对PUF性能的影响汇总如 表1所示。

 

导电聚氨酯泡沫材料研究进展

 

2   结果与讨论

导电PUF性质与应用

2. 1 压阻材料 

    导电泡沫材料具有柔性、高压缩性,以及良好可逆性等特点,可以应用于高性能压力传感器的制备中。

    以碳纳米管为导电填料,TPU为基体,采用定向冻结法,制备了具有新型排列多孔结构的TPU导电泡沫,所得有序多孔材料的密度低至0. 123 g/cm3CNTs 通过泡沫骨架均匀分散,并获得 0. 002 3 %(体 积分数)的超低渗透阈值。采用逐步压缩和循环压缩的方法评价TPU/CNTs 多孔复合材料的压阻行为。研究发现,轻质柔性TPU/CNTs泡沫因其固有的有序多孔结构,而具有优良的力学性能和卓越的压阻性能, 特别是当外加应变达到 77 %时,其电阻响应表现出良好的线性特性,这将有利于其作为理想的压力传感器。在多次循环压缩释放测试中,由于其沿取向方向由阶梯状泡孔组成的排列多孔结构,定向导电TPU/CNTs泡 沫在电阻方面表现出优异的可逆性,产生了理想的压阻 行为。与此同时,利用柔性压力传感器对人体的运动进 行了测试,如走、跳、蹲等。该泡沫表现出质量轻、柔韧 性好、可压缩性高、可逆性好、重复性好等优点。

    将碳纳米管嵌入到聚合物泡沫中,制备 了PU/CNT复合泡沫。研究发现,当PU/CNT的泡沫 达到其压缩应变的 80 %,应变灵敏度系数(GF)约为30时,PU表现出绝缘-导电转变现象。相反,PU/CNT仅在填料浓度为1. 5 %时表现出导电性,并在GF80时表现出稳定的压阻行为,而没有表现出绝缘-导电转 变现象。该研究改进了纳米复合 PUF 的导电性能,表 明该方法可以应用于压阻传感器和开关的设计中。

    将氧化石墨烯均匀涂覆在柔性 PUF上,制备 PU/石墨烯复合材料。所制备的泡沫具有高度压缩性、均匀性和导电性,并显示出高的压力敏感性。石墨烯通过化学键合在聚氨酯表面形成很强的固 定化作用。施加压力对电导率的影响表明,当压力的 微小变化(仅为0. 5个大气压)时,电流增加5个数量级 以上,产生 4×105个大气压的压力灵敏度。可见这些 复合材料具有极高的压力灵敏性,在需要较大灵敏度的领域,如生物传感器等方面具有潜在的应用前景。

    采用定向冰模板冷冻法制备了具有人字 形结构的 TPU/环氧树脂(EP/CNTs 多孔泡沫材料。以 EP 作为第三组分,能够提高多孔泡沫的导电性能。

   CNTs均匀分布在泡沫骨架中。随着CNTsEP含量的增加,TPU/EP/CNTs泡沫的强度显著增强,当泡沫材料受到0~70 %的压缩应变时,多孔材料的电阻呈良 好的线性下降,这表明泡沫对不同的压缩应变幅值表 现出良好的分化能力。在多次循环压缩过程中,经过多次压缩加卸载循环测量,阻力变化趋于稳定,而在经过预压缩处理后,由于导电网络的重新排列和泡孔结 构的稳定,电阻响应变得更加稳定,多孔泡沫也获得了 较快的响应速度(约160 ms)。该柔性多孔泡沫具有良 好的耐化学性,可以在乙醇中用于手指按压的感知,并 在应用于人体运动监测时表现出良好的传感性能。

    采用单向冷冻干燥法制备了具有羽状排 列多孔结构的柔性 TPU/纳米石墨(CB)泡沫材料 (CF)。所制得的复合泡沫的密度、孔隙率和平均孔径 分别为 0. 13 g/cm383. 7 %和 24. 9 μmCB 颗粒均匀分 散 在 制 备 的 泡 沫 骨 架 中 ,其 渗 透 阈 值 较 低 ,为0. 48 %(体积分数),通过相对电阻的变化来区分不同的压缩应变,并对压缩应变的响应表现出良好的线性特性,具有高的规范因子(GF),可达 1. 55。在压阻试验中,由于多孔结构沿羽状脉方向排列,CTF具有快速 的响应/弛豫时间(150/150 ms)、良好的可恢复性、良 好响应稳定性和优良的耐久性(>10 000次循环)。
    将
CTF 组装成可穿戴传感器,监测手臂弯曲、下蹲、脚尖等人体各种动作,显示出良好的检测性能,并且该传感器还可以通过油水分离处理水污染,显示了其多功能 和在复杂情况下的广阔前景。

2. 2 吸波材料 

    PUF 具有低密度,高比强度,制备所需反应时间 短,成型速度较快等特征,因而适合用于泡沫吸波材料的基体,并且与传统的涂料型吸波材料相比更具有发 展前景根据电磁波阻抗匹配原理,制备了 PUF夹层结构复合吸波材料,并研究了不同结构组成对材料吸波性能的影响。实验结果表明:当匹配层中加入 质量分数15 %的二氧化锰,PUF夹芯层中加入质量分 数 5 %的二氧化锰和 10 %的石墨,反射层中加入质量分数35 %的石墨时,测试频段为8~18 GHzPUF夹层 结构复合材料的最大吸收峰为 12. 9 GHz选择了两种长短不一的短切碳纤维作为填充吸收 剂,以此来合成聚氨酯硬质泡沫基复合吸波材料,并利用微波矢量网络分析仪系统和弓形法,测量了此类复 合材料的微波吸收性能。研究表明,长度较短的短切碳纤维 T1构成的 PUF 复合吸波材料在 波段吸波性 能较好,而长度较长的短切碳纤维T2构成的泡沫吸波 材料在 Ku 波段吸波性能较好,并且当短切碳纤维 T1T2填充比为34,总填充量为7 %时,所制备的复合材料在X波段和Ku波段都优于10 dB选用聚氨酯硬质泡沫为基体,吸波剂选用短切碳纤维、羰基铁粉、多晶铁纤维,制备宽频带吸波复合材料。通过测试各吸波剂质量分数在 1 %~9 %范围内对 PUF 复合 材料样品力学性能及热性能的影响,发现含羰基铁粉 的聚氨酯样品其密度随羰基铁粉含量增加缓慢增加,其压缩强度随羰基铁粉含量的增加而先增加后降低, 在质量分数为 7 %时达到最大值 563. 44 kPa,比强度变化较小,在5. 17 kg/m3左右波动,而含有碳纤维或多晶铁纤维样品的密度、压缩强度及比强度随着吸波剂含量的提升而明显增加。碳纤维和多晶铁纤维有利于复合材料氧指数的提高,而羰基铁粉则会降低氧指数。

2. 3 电磁屏蔽材料 

    近年来,电子设备已经融入我们的生活,提供了大量的便利,但不可避免地要受到各种不同频率的电磁波的损害,或者为了防止电磁波对特殊设备的干扰,对 于电磁波屏蔽的要求也日益显现。并且添加导电填料的高分子基复合材料,兼具优良力学性能和热性能,是近年来的电磁屏蔽应用的热点研究方向。而泡沫成型更具有低密度的优势,可以应用于更多领域。报道了一种利用石墨烯和镍复合聚氨酯 发泡胶,有效的增强 PUF 胶的电磁屏蔽效果,用于填补沟槽时,可以达到密封的同时具有好的抗电磁屏蔽效果,实现电气设备不被外界电磁波干扰,可以应用于建有电磁屏蔽功能的建筑、器材运输、电子器件封装等方面。采用超临界 CO2发泡法制备的 TPU/还 原氧化石墨烯复合泡沫材料具有良好的电磁屏蔽效 果,并且超临界CO2有效降低了泡沫的密度,并且由于 形成了良好的导电网络,在还原氧化石墨烯体积占比仅 3. 17 的情况下,获得了 21. 8 dB 的屏蔽效果。这一 研究为轻量化、柔性、高电磁屏蔽材料提供了研究方向。制备的 PU/石墨烯多孔复合材料具有高柔韧性、低密度、优良的电磁屏蔽效果和阻燃性能。由于 具有多边形泡孔结构,有利于电磁波的多重反射衰减, 因此对近红外和中红外波段的透过率接近于0,而在低 频波段的电磁干扰屏蔽效能达到 30 dB。这类超轻复合材料由于兼具了柔性和电磁屏蔽效果,在柔性电子 和隐身材料领域具有广阔的应用前景。电磁屏蔽的应用领域近年来也在不断拓展,常常 需要屏蔽电磁波以保证机器的正常运作,或者保护人 体免受核磁共振等产生的高频射频信号的伤害,因此 导电 PUF 在电磁屏蔽的领域仍有不断发展的空间,迫切需要对这一方向进行深入研究。

2. 4 电极材料 

    开发了一种简便、经济 PUF/氧化石墨烯复合材料。将 PUF 表面涂上氧化石墨烯后,用抗坏血酸还原氧化石墨烯。研究表明该材料作为电极时, 纳米金颗粒(直径约300 nm)可以很容易地沉积在电极上,因此PUF也可作为纳米混合电极基体。制备了氧化镍掺杂聚氨酯/聚苯胺泡沫基碳复合材料 (PU/PANI/NiO),氧化镍掺杂的氧化石墨烯/PUF 基 碳复合材料(PU/GO/NiO),钴酸镍掺杂的氧化石墨 烯/PUF 基碳复合材料(PU/GO/NiCo2O4),相较于纯PUF 电容都得到了提高,因此在做超级电容器电极材 料方面具有巨大的潜力。制备了石墨烯和纳 米管复合的柔性PUF。该材料可以用作电极垫连接到 心率传感器上,并取得了很好的实验结果。

    开发了导电 PUF 作为长期使用设备的皮肤电极,具有高透气性和无黏性残留的优点,并且对电阻率、透水性、与汗水接触的稳定性和机械性能进行了测试,兼顾性能以达到实际应用的需求。以上研究都证明复合导电 PUF 在医学领域也有着很大的应用潜力,同时兼具性能上的导电性、高柔性,也可以满足医学器材使用上 对透气性、稳定性、无毒性的要求,可以作为电极贴片和柔性导电材料进行进一步的研究和应用。

3 结 论

目前,关于导电 PUF 材料的研究有了长足的进展。本文从加入导电填料的 PUF 角度进行分析,不同导电填料能够降低 PUF 的电阻系数,提高导电性,从而防止泡沫材料产生较高的静电电压,扩大了导电PUF 材料的应用领域。相比在基体中分散较差的炭黑,在 PUF 中添加小管径和长度更长的碳纳米管,提升了复合材料导电性的同时也增强了力学性能,同时碳纳米管的加入也提高了泡沫材料的电磁干扰屏蔽功 能。石墨和石墨烯及其衍生物具有很强的柔性,提高导电性能的同时还可使导电 PUF 具有显著的可压缩性。此外,金属和其他有机材料同样能作为 PUF 的导 电填料,增强导电性和电稳定性。随着对良好导电材料应用领域的不断扩展,其在作为压阻材料、吸波材料、电磁屏蔽材料和电极材料等相关领域得到广泛应用,导电泡沫材料的需求也日益增长。但是,在制备导电 PUF 的过程中,需要较大的导电填料才能达到较好的导电性、电磁屏蔽性能等,这会极大地影响泡沫材料的力学性能,因此未来还需探索合适的发泡工艺从而实现低填料浓度下达到优异的电性能。同时,导电PUF 在发泡的过程中,会存在导电填料或者抗静电剂有效接触面(点)断开的现象,从而使导电网络不易形成,导电能力下降,达不到实际工业领域应用的需求。因此,导电 PUF材料的研究应朝着低成本、轻量化、高电稳定性、高导电性以及环境友好的方向发展,对于泡 沫材料的导电机理还需进行更深入的研究。

 

 

为方便阅读,本文移除了脚注。如有需要,请参阅《中国塑料2023年 第37卷 第3期   END

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